閘門上游側半楔形結構止水橡皮設計

謝太生　劉妍　陸浩　周永玲　戴芬芬　向初旭　劉俊

摘要：常規平板和弧形閘門啟閉時止水橡皮沿著閘墩側邊來回摩擦，閘門啟閉力較大，止水橡皮易磨損和出現漏水現象，造成水閘上游庫容蓄水量損失和水位降低。為此，創新性地提出了閘門上游側半楔形結構止水橡皮設計，即在閘門上游兩側設置半楔形結構，與閘門兩側閘墩對應設置的半楔形側邊相互咬合，咬合處間隙設止水橡皮，頂止水、側止水和閘門其他部分保持以往常規結構不變。實踐表明：關閘時，閘門半楔形結構止水橡皮靠近閘墩半楔形側邊，無論閘門是否蓄水，閘門自重分力擠壓止水橡皮，止水可靠;閘門開啟后，閘門半楔形結構止水橡皮遠離閘墩半楔形側邊，不產生摩擦，止水橡皮無磨損。另外，在設計時可通過調整楔形閘門厚度、夾角、底板單位正壓縮力和單側斜邊單位正壓縮力等參數設計出各種技術上可行、經濟合理的止水方案。

關鍵詞：閘門止水; 止水橡皮; 半楔形結構; 正壓縮力

中圖法分類號： TV663

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.11.022

0引 言

閘門是可以啟閉、用于控制孔口水流的擋水結構，是水工建筑物的重要組成部分之一。閘門的作用是用來封閉水工建筑物的孔口，并允許按需要全部或局部開啟這些孔口，用于調節上下游水位和流量，從而獲得防洪、灌溉、供水、發電、通航、過木過筏等效益。為達到此目的，必須設計好閘門止水，止水的作用是在閘門關閉或動水啟閉過程中防止閘門與門槽埋件之間漏水。止水按裝設部位可分為頂止水、側止水、底止水和節間止水。閘門各部位的止水裝置應具有連續性和嚴密性。止水效果不好，會造成閘門嚴重漏水，帶來一系列問題[1]。止水裝置的效果好壞，不僅與其結構的選型、布置有關，而且與閘門制造、安裝的精度以及正確的運行方式都有很大的關系[2]。

在實際水閘工程中，常規的平板和弧形閘門漏水現象幾乎無處不在，嚴重影響水閘作用的發揮。為解決閘門漏水的問題，施莫澤使用有四氟乙烯（PTFE）外包層的橡皮止水，利用PTFE的潤滑作用獲得較低的摩擦系數[3]，但PTFE外包層時間較長被磨損后，其潤滑作用將消失，摩擦系數將增大，不能有效解決問題;周和平等采用彈壓支承強迫閘門止水貼合踏面[4]，止水效果好，但結構復雜，彈壓支撐結構易銹蝕，而且由于彈簧壓縮增加了止水橡皮正壓力，閘門受到門槽的摩擦力較大，閘門啟閉困難，彈簧壓縮量不好控制，止水橡皮易磨損[5]。劉紅偉、李敬文等提出了2種防漏水方法：① 利用優質鋼板通過焊接加固閘門底止水橡膠代替使用環氧樹脂砂漿黏結橡膠止水的方法，延長了橡膠底止水的使用時間，提高了閘門底止水的使用效果[6];② 新型土工合成膜布吸堵法封堵搶護，但當水位下降以后，閘門漏水問題依然存在，水退后需進行閘門止水維修，并不能解決正常運行時漏水問題[7]，此方法只能解決閘門局部的底止水和臨時堵漏方法，沒有完全解決閘門漏水問題。張雷等提出了雙重止水技術，這種技術是利用鋼止水的堅韌性和耐磨性，兼備橡皮止水的柔韌性，形成剛柔并濟的止水系統，這種止水技術便于管理，能提升止水設備的使用壽命[8-9]，但在啟閉閘門時，止水橡皮與門槽磨損仍然存在;常大巍等[10]設計了嵌入式楔形閘門止水，閘門板與閘槽之間無摩擦，啟閉方便，但由于沒有采用止水橡皮，仍然不能完全止水。另外，由于嵌入式楔形閘門前后左右呈楔形，開啟閘門時，易前后左右搖擺晃動，定位性差，僅適用于平板閘門，不適用弧形閘門。目前常規閘門（平板閘門和弧形閘門）工程中止水多為水力被壓式止水結構，上游蓄水時，閘門上游水壓力擠壓止水橡皮，橡皮緊貼平直閘門槽或者閘墩側面預埋件，達到止水目的，但是啟閉閘門時，止水橡皮緊貼預埋件，上下滑動磨損橡皮[11]，增加了閘門啟閉力容量[12]。

在此背景下，迫切需要研究一種能有效減少止水橡皮磨損和阻止閘門漏水的新型止水結構。

1設計思路

本次研究擬采用閘門上游側半楔形結構止水橡皮，即在閘門上游兩側設置半楔形結構，與閘門兩側閘墩對應設置半楔形側邊相互咬合，咬合處間隙設止水橡皮，頂止水、底止水和閘門其他部分保持常規設計不變。

按門頂與上游水位蓄水位相對位置，可將閘門分為露頂式閘門和潛孔式閘門[13]：① 露頂式閘門，在平板和弧形閘門上游側兩端分別添加三角形和彎曲弧形半楔形結構止水橡皮，底端采用平直止水橡皮;② 潛孔式閘門，在平板和弧形閘門上游側兩端分別添加三角形和彎曲弧形半楔形結構止水橡皮，同時閘門頂部蓋板和底端采用平直止水橡皮。以上閘門都是利用閘門自重擠壓閘門半楔形結構止水橡皮，緊貼閘墩半楔形結構凹槽邊，達到止水目的。閘門開啟時，平板閘門下游側沿門槽下游側平直邊向上滑動，弧形閘門繞支臂鉸心向上旋轉，閘門半楔形結構止水橡皮與閘墩半楔形結構凹槽邊脫離，摩擦力為零;關閉閘門時，閘門半楔形結構止水橡皮緊貼閘墩半楔形凹槽邊，達到止水目的。該止水結構設計無論閘門是否蓄水，閘門自重始終擠壓止水橡皮，止水可靠，閘門其他部分都不改變，跟以往常規設計一樣，特別適用現有閘門改造，當然也可以新設計具有閘門上游側半楔形結構止水橡皮的閘門。

2結構設計

2.1露頂式閘門

露頂式閘門止水需要在閘門兩側和底部設置止水橡皮。在常規平板和弧形閘門上游側兩端分別添加三角形和彎曲弧形半楔形結構止水橡皮，底端采用平直止水橡皮，在閘門兩側閘墩，設置與半楔形止水橡皮結構相對應的半楔形槽邊，相互咬合。當閘門提升開啟時，止水橡皮遠離門槽處半楔形邊，沒有磨損;當閘門下降關閉時，止水橡皮下降，與半楔形閘門槽邊接觸，完全放松啟閉機鋼絲繩時，閘門自重擠壓半楔形結構止水橡皮，緊貼閘墩半楔形槽邊，達到止水目的。該結構較為簡單，主要通過閘門的自重來關閉閘門，當然也包含了很小部分間隙水壓力，閘門與門槽貼合自如、密閉可靠，止水效果好，平板閘門如圖1～3所示，弧形閘門如圖4～6所示。

2.2潛孔式閘門

潛孔式閘門止水相對露頂式閘門而言增設了胸墻，提高了閘門作用水頭，除了要在兩側和底部設置止水橡皮外，還需要增設頂止水，防止閘門頂部漏水，其工作原理與露頂式閘門差別不大。

3受力分析及吊繩作用點計算

3.1閘門關閉時門槽對止水橡皮的反力分析

由于閘門上游側兩端分別添加了三角形和彎曲弧形半楔形結構，因此閘門止水橡皮受力與以往比較有所不同。為簡單起見，下面以簡單均質等厚模型平板閘門為例（見圖7），說明閘門止水橡皮受力計算方法。

接下來需要驗算：① 閘門、門槽強度和剛度;② 止水橡皮壓縮量δ（止水橡皮壓縮量由胡克定律δ=F/E求得），其中止水橡皮彈性模量為E[14]，止水橡皮受力為F。若兩項條件均滿足設計要求即可，否則需改變閘門參數，重新計算，直至滿足設計要求。

而閘門開啟時，止水橡皮完全脫離開門槽，楔形門槽邊對止水橡皮反力為零。

3.2閘門吊繩作用點位置計算

楔形弧形閘門吊點仍然可以設置在閘門低端。平板閘門上游側兩端添加三角形楔形塊和蓋板，則閘門吊繩作用點位置就發生改變。為簡單起見，下面以簡單模型均質楔形平板閘門為例（見圖8），說明楔形平板閘門吊繩作用點位置計算方法。

（1） 模型圖形說明。

該楔形平板閘門由平板門、左右兩楔形塊、蓋板組成。因此，可以將這個楔形平板閘門看成是一個組合體，通過組合法來計算它的重心。要求出組合圖形的重心位置，首先把圖形分成幾個分圖形，分別計算各分圖形的體積和重心坐標，然后利用重心坐標公式計算組合圖形的重心。

4設計實例

為了進一步印證上面定性分析，下面以結構簡單的楔形露頂平板閘門為例進行定量計算分析，閘門結構尺寸如圖9所示，計算過程中，數據小數點后最多保留9位數字。閘門材料采用均質鋼材，容重為7 850 kg/m3，重心坐標即形心坐標，閘門高1 m，寬1 m，閘門板材全部等厚為0.103 339 558 m，楔形塊底寬0.15 m，楔形塊斜邊與Z軸正向夾角θ=4.1°，閘門上游蓄水高度1 m，下游無水，水容重為1 000 kg/m3。閘門背水側設有滑輪，摩擦力F1=0，取閘門楔形塊橡皮與混凝土門槽斜邊摩擦系數f=0.7。

4.1閘門幾何參數計算

（1） 平板門。平板門幾何參數計算見表5。

（2） 左右楔形塊。

為了方便計算，將每側楔形塊分為矩形和三角形兩部分計算，幾何參數計算見表6～10。

4.2閘門受力分析計算

4.2.1計算簡圖

根據圣維南原理，將楔形塊所受邊界力簡化為等效集中力計算，不影響閘門整體受力分析計算，如圖10所示，計算過程中，數據小數點后保留5位小數。Y方向閘門以中截面為對稱面，左右方向受力對稱，左右外側沒有水壓作用，中截面剪力、彎矩皆為零，軸力大小與本次設計研究目標無關。

4.2.2受力分析計算

閘門底端及斜邊受力分析計算結果見表13～14。

整體楔形閘門斜邊受力分析計算結果見表15。

從表15可以看出：閘門合力X，Z，M均約為零，滿足靜力平衡條件，閘門Y軸方向受力左右對稱，自然平衡。

楔形閘門與閘槽接觸面寬度為閘門板厚度為0.103 339 558 m，即為接觸面受力寬度，接觸面壓應力計算結果見表16。

閘門或者門槽制作材料通常用鋼筋混凝土、鋼材或者兩者結合，表16中所有平均壓應力值均小于最低標號C15混凝土fc=7.2 N/mm2和碳素結構鋼Q235最低抗壓強度設計值（200 N/mm2），最小肖氏硬度HS為35～40度的止水橡皮彈性模量E平均值為1.589 22～1.962 N/mm2，小于極限強度（12.753～14.715 N/mm2），滿足設計要求。

該算例中，閘門參數夾角θ=4.1°，自重G=12 287.831 48 N，結構布置、其他尺寸、制作材料、其他應力大小等均在合理范圍，在實際工程中可行，該方案可以實現。

若閘門設計高度不變，上游水平水壓力F4是定值，閘門背水側設有滑輪，摩擦力F1=0，而閘門底端支承合力F2、蓋板向上水浮力F31、楔形側板三角棱體向上水浮力F32、楔形側板斜邊摩擦力水平分力F51、楔形側板斜邊摩擦力豎向分力F52、楔形側板斜邊正壓縮力水平分力F61、楔形側板邊正壓縮力豎向分力F62和閘門背水槽邊支承反力F7等力均為被動力，隨閘門其他尺寸和相應角度θ改變，即改變閘門自重，上述8個力均可改變，能夠找到滿足設計要求的閘門。

設計時，若出現止水橡皮受力F反力過大，解決辦法是：① 采取加寬閘門底端或接觸門槽邊部分厚度補救措施，便于設計限位凸起，限制橡皮壓縮量，承受一部分受力F凸起。止水橡皮厚度δ，限制凸起高度δ2，止水橡皮實際壓縮量δ1=δ-δ2，止水橡皮受力F橡皮=F反力-F凸起=Eδ1，其中閘門底端或接觸門槽邊寬度為b，止水橡皮寬度為b1，限位凸起寬度為b2。② 稍微提升閘門吊繩高度。③ 改變參數重新計算。若出現F反力合適，則令b2=0即可滿足設計要求。若出現F反力太小，則調節閘門板厚度、夾角θ和其他參數（見圖11），直至滿足設計要求。

5不同閘門計算參數比較

分別改變楔形閘門厚度、夾角θ、底板單位正壓縮力和單側斜邊單位正壓縮力等4個參數，閘門其他結構尺寸、布置、材料不變，仍滿足靜力平衡方程，因試算工作量大，下面僅對7種閘門的8個參數進行對比，結果見表17。

從表17可知：① 從閘門1～5，角度θ逐漸增加，其中板厚度、底板單位正壓縮力、單側斜邊單位正壓縮力和重量都逐漸減小，應力值變化幅度小;② 從閘門5～7，剛好相反，應力值變化幅度較小;③ 表17中閘門重量最小的是閘門5;④ 閘門4～6之間是否有比閘門5重量更小的閘門，仍需多次試算比較。

6結 語

在閘門上游兩側設置半楔形結構，上游側半楔形結構外緣設置止水橡皮，閘門兩側閘墩設置半楔形側邊，與閘門半楔形結構止水橡皮咬合。這樣，改變了閘門結構和止水橡皮安裝位置，

閘門自重擠壓止水橡皮，閘門止水可靠;

閘門啟閉時，止水橡皮無長距離滑動磨損，

減小了閘門啟閉力，比較常規閘門啟閉力小，啟閉靈活;

大面積止水橡皮外側面被隱藏在暗處，避免陽光照射，延長老化;

設計原理清楚，結構簡單，施工方便，造價低廉。

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（編輯：胡旭東）

Abstract：When opening and closing the conventional flat plate and arc gate，the water-sealing rubber is rubbed back and forth along the side of the gate pier.Due to the gate opening and closing force is large，the water-sealing rubber is easy to wear and leak，resulting in the loss of water storage capacity and the decrease of water level in the upstream of the gate.To this end，the design of semi-wedge structure water-sealing rubber on the upstream side of the gate was innovatively proposed，that is，the semi-wedge structure was set on both sides of the upstream gate，and the semi-wedge side was set corresponding to the gate piers on both sides of the gate to bite each other.The water-sealing rubber was set at the gap of the bite，and the top water-sealing，side water-sealing and other parts of the gate remained the same as the conventional structure.Practice showed that when the gate was closed，the semi-wedge structure water-sealing rubber of the gate was close to the semi-wedge side of the pier whether the gate was impounded or not，the self-weight of the gate squeezed the water-sealing rubber by force，reaching reliable water-sealing effect.When the gate was open，the semi-wedge structure water-sealing rubber of the gate was away from the semi-wedge side of the pier，and there was no friction and wear.In addition，by adjusting the thickness of the wedge gate，angle，the unit positive compression force of the bottom plate and the unit positive compression force of the unilateral bevel，a variety of technically feasible，economical and reasonable water-sealing schemes can be designed.

Key words：water-sealing of gate;water-sealing rubber;semi-wedge structure;positive compression force